某學(xué)院教學(xué)樓建筑樁基承載力檢測方案比較研究

李貴文 馮 莉

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 工程地基與基礎(chǔ)概況

研究項目位于蘭州市七里河晏家坪，為某高校新建教學(xué)樓，地下1層，地上9層，人工成孔大直徑灌注樁基礎(chǔ)，建筑面積12 616 m2。依據(jù)項目《巖土工程勘察報告》，場地內(nèi)地層主要由雜填土、黃土狀粉土、卵石組成，現(xiàn)按巖性自上而下分述如下：①層雜填土:稍濕、稍密、黃褐色；由人工堆填形成，以粉土為主，含有礫石及建筑垃圾。場地普遍分布，層厚0.50 m～2.70 m不等，平均1.29 m。②層黃土狀粉土：稍濕～濕，稍密，黃褐色；土質(zhì)較均勻，干強(qiáng)度低，韌性低，切面粗糙，具大孔隙結(jié)構(gòu)，搖振反應(yīng)迅速。該層場地普遍分布，層厚18.60 m～21.30 m，平均20.04 m，③層卵石：雜色、中密，磨圓度較好，粒徑大于20 mm的顆粒占總量的79.7%～89.8%，中粗砂填充，該層場地內(nèi)普遍分布，上部含砂量較大，鉆進(jìn)較困難。主要礦物成分為石英巖、花崗巖、變質(zhì)巖，粒徑一般為3.00 cm～8.00 cm。層面埋深19.80 m～22.10 m。采用133根人工挖孔灌注樁，設(shè)計樁長約為18.50 m，設(shè)計樁身直徑分別為0.90 m,1.00 m,1.20 m,1.40 m，其設(shè)計承載力特征值分別為3 324 kN，4 027 kN,5 178 kN,5 996 kN，樁身混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C35。樁端持力層為③卵石層，進(jìn)入持力層深度大于1.20 m。JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定，對于甲級的樁基、無相關(guān)試樁資料的乙級樁基、地基條件比較復(fù)雜等樁基，施工前應(yīng)進(jìn)行試驗樁檢測并確定單樁極限承載力。本項目選用3根直徑1.20 m的大樁為檢測對象，單樁豎向抗壓承載力極限值10 356 kN計算。

2 堆載法研究

堆載法測樁的基本原理是在預(yù)測樁樁頭中心位置使用鋼梁系統(tǒng)與承重平臺形成堆載反力的傳力裝置，在堆載架上堆重物，依靠放在樁頭上的千斤頂將平臺逐步頂起，從而將力施加到樁頭上，通過測力裝置直接讀出單樁豎向承載力。檢測用設(shè)備主要有反力型鋼梁或者箱梁、鋼平臺、堆載重物(可以選用砂袋、混凝土預(yù)制塊、鋼錠、取土裝袋、水箱等)、液壓千斤頂控制系統(tǒng)、應(yīng)力傳感器及相應(yīng)的專業(yè)軟件、樁沉降量觀測裝置(見圖1)。對受檢樁要求鑿除樁頭浮漿，澆筑混凝土樁帽，樁帽頂部水平平整，樁帽中心與樁體中心完全重合，在距離樁頭1.50 m范圍內(nèi)，井樁箍筋應(yīng)該加密，并在樁頂設(shè)置3層～5層間距80 mm～150 mm的鋼筋網(wǎng)片，在距離檢測樁周圍1倍樁徑的范圍內(nèi)用3 mm～5 mm厚鋼板防護(hù)，樁帽混凝土強(qiáng)度等級高出樁身1個～2個強(qiáng)度等級，樁頭高出檢測區(qū)域地面0.60 m左右。對檢測區(qū)域要求場地平整，道路寬度和轉(zhuǎn)彎半徑滿足吊車和大型平板車的通行要求。檢測原理是在試驗前，一次性加上堆載重物，并穩(wěn)固均勻地放在堆載平臺上。通過壓力表和載荷傳感器在計算機(jī)上記錄加載值和位移傳感器測量樁的沉降量。隨著樁頭上堆載量的增加，檢測的Q—S曲線和S—lgt曲線有相對變化，通過對曲線變化進(jìn)行分析，可以判定基樁的極限承載力。該方法可能出現(xiàn)的問題：一是堆載平臺出現(xiàn)偏心，在堆載放置過程中由于堆放的位置不對稱、一次堆放量較大、吊車脫鉤速度過快、堆載物放置的穩(wěn)定性差，甚至溫度、風(fēng)向均會造成堆載中心偏移，出現(xiàn)堆載平臺重心偏移，可能出現(xiàn)堆載量未達(dá)標(biāo)之前，堆載平臺失去穩(wěn)定性，試驗不得不結(jié)束，如果出現(xiàn)問題未能及時糾正，就極易造成堆載物倒塌的安全事故。二是測量控制基準(zhǔn)樁自身穩(wěn)定性不足，堆載重量對地面的附加力造成地面位移，測量結(jié)果不可靠。三是在大直徑、高承載力的堆載試驗檢測中，認(rèn)真研究加載的速度和加載量，防止出現(xiàn)檢測樁突然急劇下沉。在本工程的檢測中預(yù)計加載重量要達(dá)到10 000 kN以上，堆載配重物只能使用混凝土預(yù)制塊或者鋼錠，根據(jù)對蘭州地區(qū)檢測市場的考察，僅有兩家單位有成品的堆載配重物，兩家單位都在兩個月以后才能預(yù)約到。

3 錨樁法研究

錨樁法是通過反力梁裝置將被測樁周圍對稱布置的幾根錨樁用預(yù)埋錨筋與反力架連接起來，依靠安設(shè)在樁頭上的液壓千斤頂將反力架頂起，樁頂壓樁荷載的大小取決于錨樁的數(shù)量、抗拔強(qiáng)度、反力架的強(qiáng)度和錨筋的抗拔力。檢測用設(shè)備有傳力架、液壓千斤頂、高壓油泵、壓力傳感器、安裝在樁頭上的位移傳感器和計算機(jī)輔助自動記錄系統(tǒng)(如圖2所示)。使用錨樁法檢測的核心因素是錨樁布置位置、錨樁數(shù)量、入土深度、插筋抗拉計算等要素。檢測采用分級逐步加荷載法，當(dāng)上一級加載達(dá)到相對穩(wěn)定后，持續(xù)一段時間再進(jìn)行下一級加載，加載過程中記錄不同荷載下試樁的豎向位移，直到試驗樁出現(xiàn)破壞。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，在某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm；在某級荷載作用下，樁的沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對穩(wěn)定；最大加載量達(dá)到設(shè)計要求的最大加載值且樁頂沉降達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；Q—S沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm；當(dāng)樁端阻力尚未充分發(fā)揮時，可加載至樁頂累計沉降量超過80 mm。

4 自平衡法研究

樁基承載力自平衡法檢測法是近年來逐步發(fā)展并走向成熟的新技術(shù)，測試的基本工作原理是：通過土力學(xué)計算，找到樁基礎(chǔ)下部承載力和上部自重、摩擦阻力等合力作用的平衡點，在灌注樁成孔后澆筑“平衡點”以下部分樁體的混凝土，當(dāng)下部混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，在樁孔后安裝荷載箱，并將位移桿、護(hù)管應(yīng)力器、樁側(cè)位移測定儀和鋼筋籠一起安裝到位，檢查鋼筋籠的垂直度、荷載箱的平整度均達(dá)到測試要求后澆筑井樁混凝土并振搗養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)樁身混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度等級的75%以上時，調(diào)試檢測液壓系統(tǒng)，通過高壓油泵給荷載箱內(nèi)的千斤頂加壓，使荷載箱產(chǎn)生豎向位移，由于作用力與反作用力的平衡作用，計算機(jī)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確作用在荷載箱以下部分的荷載值，以此判斷樁的承載力極限值,自平衡檢測法工作原理見圖3。通過加載過程中采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算機(jī)程序可以清晰的計算出樁基礎(chǔ)所在各個土層的一些關(guān)鍵性力學(xué)指標(biāo)如側(cè)阻系數(shù)、樁的側(cè)阻力等。該項檢測技術(shù)的核心裝置是荷載箱，選擇荷載的核心參數(shù)要看它的最大頂升力(荷載標(biāo)定值)、最大頂升行程。樁基自平衡檢測法的檢測步驟是：第一步，依據(jù)工程地質(zhì)資料進(jìn)行適宜性評價，如果樁埋深淺不具備反力平衡條件則不可使用此法；第二步，依據(jù)計算結(jié)果和設(shè)計要求安裝荷載箱；第三步，利用高壓油泵逐級加載，計算機(jī)導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)；第四步，基于過程數(shù)據(jù)和終止荷載分析計算極限載荷。

5 各檢測方案適宜性比較研究

堆載法：最大的優(yōu)點是承重平臺搭設(shè)簡單，一套裝置可以滿足不同荷載等級的檢測對象使用，對檢測樁幾乎沒有配筋量的要求，工具化的堆載塊可以重復(fù)利用，施工現(xiàn)場只需要平板運輸車輛和一臺中級噸位的吊車，檢測成本主要為運輸和吊裝機(jī)械費，工程總成本較低，缺點是檢測周期較長，一次只能檢測一根樁，加載卸載時間較長，檢測結(jié)果中樁端阻力和側(cè)阻力所占比例不易確定，在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

錨樁法：該方法為比較原始比較傳統(tǒng)的檢測方式，市場設(shè)備和技術(shù)均比較成熟，所檢測樁的承載力的準(zhǔn)確性在許多工程已經(jīng)得到了驗證，但檢測中需要施工大量的錨樁，施工工期長、成本高，在加載施工過程中有錨固鋼筋斷裂的安全隱患，目前在樁基檢測技術(shù)比較發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)逐步被淘汰。

自平衡法：和傳統(tǒng)錨樁法、堆載法相比，自平衡有其獨特的優(yōu)勢:

1)裝置較簡單，不需要運入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，占用場地空間小，更不需笨重的反力架，如果有必要，多根樁可以同時測試，試驗準(zhǔn)備工作省時、省力、安全。

2)該方法能將樁的側(cè)阻力與端阻力清楚地用各自的荷載—位移曲線描述，檢測數(shù)據(jù)的可信度在設(shè)計中可以放心使用。

3)試驗費用省，消耗物只有荷載箱，對檢測樁的配筋量要求較低。

4)試驗后試樁可利用預(yù)埋管對荷載箱壓力灌漿仍可作為工程樁使用。

5)遇到水上試樁，坡地試樁，基坑底試樁，狹窄場地試樁，斜樁，嵌巖樁，抗拔樁等自平衡技術(shù)更加突出優(yōu)勢。

6)自平衡檢測樁作為工程樁使用時，要認(rèn)真研究平衡箱內(nèi)的注漿方案，保證箱體段樁體在承載力和耐久性方面與其他工程樁同壽命。

6 檢測方案經(jīng)濟(jì)性比較研究

針對三種不同的檢測方法，經(jīng)編制試樁施工和檢測費用預(yù)算，得到數(shù)據(jù)(含稅價)見表1。

表1 單樁施工和檢測成本對比表

自平衡檢測法的檢測成本明顯低于其他兩種方法，就檢測工期而言：堆載法加載較慢，堆載物移動和吊裝需要工期較長，每根試樁檢測需要7 d；錨樁法樁架安裝和錨筋固定需要吊車配合，每根試樁檢測需要3 d；自平衡法每根試樁檢測則只需要半天。

7 研究成果的工程應(yīng)用

2018年8月，建設(shè)單位同意利用自平衡技術(shù)檢測3根試樁，委托檢測單位依據(jù)此法重新評定該建筑物樁基礎(chǔ)承載力特征值。經(jīng)現(xiàn)場檢測與后期分析評定，采用自平衡檢測技術(shù)取得單樁承載力重要參數(shù)表見表2。

表2 單樁承載力重要參數(shù)表 kPa

設(shè)計單位依據(jù)檢測報告重新修改了樁基礎(chǔ)設(shè)計圖紙，并通過第三方審查機(jī)構(gòu)的審查備案。修改后的最多樁基為1.00 m，樁基礎(chǔ)施工的土方開挖量、樁身混凝土澆筑量、井樁鋼筋籠的配筋量均有大幅度下降，為該教學(xué)樓基礎(chǔ)工程節(jié)約工程投資120萬元(含稅)。基于樁基基礎(chǔ)設(shè)計質(zhì)量的可靠性直接影響著建筑的安全性，通過工程前期試樁檢測中能夠科學(xué)、準(zhǔn)確、有效地得出單樁基礎(chǔ)的端阻力和側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，為結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師提供可信可采納檢測數(shù)據(jù)，對保證工程設(shè)計質(zhì)量，有效控制工程施工成本有非常重要的作用。利用自平衡技術(shù)檢測樁基礎(chǔ)端阻力和側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值彌補(bǔ)了《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中利用經(jīng)驗參數(shù)取值的不足，對保證工程設(shè)計質(zhì)量、降低工程施工成本、縮短基礎(chǔ)工程施工工期具有突出作用。